哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所与美国德克萨斯大学达拉斯分校、江苏大学、韩国汉阳大学、澳大利亚卧龙岗大学等单位合作，首次发现通过聚电解质功能化的策略，可实现人工肌肉智能材料的“双极”（Bipolar）驱动转变为“单极”（Unipolar）驱动，同时发现了人工肌肉随电容降低，驱动性能增强的反常现象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES），这一重要突破解决了人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题，为后续设计具有无毒、低驱动电压的高性能驱动器提供新的理论基础。研究成果以“单极冲程、电渗泵碳纳米管纱线肌肉”（Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles）为题，在线发表于著名学术期刊《科学》（Science）上，我所为共同通讯作者和共同第一作者单位，其中我所冷劲松教授为共同通讯作者（江苏大学丁建宁、哈尔滨工业大学冷劲松、美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman），其博士毕业生楚合涛为共同第一作者（楚合涛、胡兴好、王锺、穆九科）。2014至2016年，楚合涛在德克萨斯大学达拉斯分校进行博士生联合培养，自2014年起，冷劲松教授课题组与德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授课题组开始该项工作研究，并取得了关键性突破。
目前，新材料正由轻质、多功能化向智能化方向发展。智能材料（Smart Materials）是指一类可以在外界激励下做出主动响应的新材料，具有自驱动、自监测、自修复等多种功能，在人工智能、智能制造、生物医疗、机器人等领域具有广泛的应用前景。聚合物纤维与碳纳米管纱线人工肌肉是一种典型的智能材料，主要通过热、电化学两种方式实现驱动。由热力学定律可知，热驱动受到卡诺循环效率的限制，从而影响了其应用潜力。相比而言，电化学驱动克服了卡诺循环效率限制的问题，能量转换效率更高，具有更广阔的应用前景。
传统的电化学碳纳米管纱线人工肌肉（以下称：人工肌肉）存在以下局限性：（1）阴阳离子的嵌入、嵌出过程使得驱动应变与扫描电压之间呈现出“双极”效应，这意味着在电化学窗口内，纤维尺寸不是单调性变化，反向离子的嵌入、嵌出抵消了驱动应变，从而降低了人工肌肉的驱动性能；（2）人工肌肉的性能完全依赖于工作电极的电容特性，即随着扫描速率的增加，性能急剧降低。因此，传统的人工肌肉只能产生单向驱动，而且需在极低的扫描速率下工作。
针对以上问题，本研究通过聚电解质（零点电位移动试剂）功能化的策略，改变人工肌肉的零点电位：（1）实现了单一离子嵌入、嵌出的“单极”效应，解决了“双极”效应反向离子的嵌入、嵌出引起的性能降低问题，提高了做功效率与能量密度等性能；（2）人工肌肉随扫描速率增加，驱动性能增加，实现了SRES效应，解决了传统人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题。进一步研究发现，SRES效应是因水合离子在高扫描速率或脉冲频率下可带动周围的水分子，从而增大了离子的有效尺寸，提高人工肌肉性能。
相比于传统人工肌肉，该人工肌肉具有无毒、驱动频率高（高达10 Hz）、驱动电压低（1 V）、高比能量（0.73~3.5 J/g），高驱动应变（3.85~18.6 %）以及高能量密度（高达8.17 W/g）等特性，在空间展开结构、仿生扑翼飞行器、可变形飞行器、水下机器人、柔性机器人、可穿戴外骨骼、医疗机器人等领域具有巨大的应用潜力。
在杜善义院士、韩杰才院士的带领下，复合材料与结构研究所于20世纪90年代初在国内较早地确立了智能材料与结构的研究方向。在“崇德广业，穷理致用”发展理念的指导下，冷劲松教授课题组长期从事智能材料结构力学及应用研究，主要研究方向包括形状记忆聚合物及其复合材料结构、人工肌肉、多功能纳米复合材料结构、空间可展开结构、可变形飞行器、柔性机器人、4D打印技术及生物医疗器件、结构健康监测、振动主动控制等。
